13. Объясните, как организована файловая система на магнитном диске?

Организация файловой системы. Файловая система – это общая структура, определяющая наименование, сохранение и размещение файлов на диске. Принцип организации файловой системы всех современных дисковых ОС – табличный. Поверхность жесткого диска

рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности; цилиндра; сектора. Цилиндр – совокупность дорожек на разных поверхностях, равноудаленных от оси вращения. А данные о том, в каком месте диска записан тот или иной файл, хранятся в системной области диска в специальных таблицах размещения файлов (FAT) (в двух экземплярах для надежности). Поскольку размер FAT – таблицы ограничен (количество записей в таблице для адресации зависит от разрядности записи: для 16 разрядной это 2¹⁶записей, а для 32 разрядной – 2³² записей), то для дисков > 32 Мбайт обеспечить адресацию к каждому сектору не представляется возможным (размер одного сектора всего 512 байт). В этой связи группы секторов объединяются в кластеры. Размер кластера в отличие от размера сектора не фиксирован и зависит от емкости диска.

ОС MS DOS, OS/2, Windows 95 и Windows NT реализуют 16-разрядные записи в FAT-таблицах (файловая система FAT16). В таких FAT – таблицах находится 2¹⁶ (65536) записей о местоположении кластеров. Для дисков емкостью от 1 до 2 Гбайт длина кластера равна 32 Кбайта (64 сектора). Это неудобно – нерациональный расход рабочего пространства (очень маленький файл все равно занимает весь кластер, у больших файлов последний кластер может оказаться полупустым). Потери жестких дисков могут составлять 25% и даже 40% от полной емкости диска.

ОС Windows 98, 2000, XP кроме FAT 16 обеспечивают более совершенную организацию файловой системы – FAT 32. В таких FAT – таблицах находится 2³² записей для адресации кластеров. Для дисков емкостью до 8 Гбайт эта система обеспечивает размер кластера 4 Кбайта (всего 8 секторов). Потери жестких дисков в данном случае резко снижаются.

В ОС Windows 2000 и выше поддерживается три файловых системы: FAT, FAT32 и NTFS. Выбор файловой системы осуществляется при запуске ОС, форматировании существующего тома и установке нового жесткого диска. Для работы с Windows 2000 и выше рекомендуется использование файловой системы NTFS. Эта файловая система обладает всеми основными возможностями файловой системы FAT и имеет следующие преимущества по сравнению с файловыми системами FAT и FAT 32.

• Повышенная безопасность.

• Более эффективное сжатие данных.

• Поддержка больших дисков — до 2 терабайт (Тбайт). (Максимальный объем дисков для системы NTFS значительно превышает максимальный объем дисков для файловой системы FAT, и, в отличие от системы FAT, при увеличении объема диска не происходит снижения производительности.)

Диск NTFS условно делится на две части. Первые 12% диска отводятся под так называемую MFT зону – пространство, в которое растет метафайл MFT (об этом ниже). Запись каких-либо данных в эту область невозможна. MFT - зона всегда держится пустой – это делается для того, чтобы самый главный, служебный файл (MFT) не фрагментировался при своем росте. Остальные 88% диска представляют собой обычное пространство для хранения файлов.

Свободное место диска, однако, включает в себя все физически свободное место - незаполненные куски MFT – зоны туда тоже включаются. Механизм использования MFT – зоны таков: когда файлы уже нельзя записывать в обычное пространство, MFT –зона просто сокращается (в текущих версиях ОС ровно в два раза), освобождая, таким образом, место для записи файлов. При освобождении места в обычной области MFT – зона может снова расшириться. При этом не исключена ситуация, когда в MFT-зоне остались и обычные файлы. Т.е метафайл все-таки может фрагментироваться, хоть это и было бы нежелательно.

Каждый элемент системы NTFS представляет собой файл – даже служебная информация. Самый главный файл на NTFS называется MFT (Master File Table – общая таблица файлов). Это централизованный каталог всех остальных файлов диска и себя самого. MFT поделен на записи фиксированного размера (обычно 1 Кбайт), и каждая запись соответствует какому-либо файлу. Первые 16 файлов носят служебный характер и недоступны ОС – они называются метафайлами, причем самый первый файл – сам MFT. Каждый из них отвечает за какой-либо аспект работы системы. Эти 16 элементов MFT - единственная часть диска, имеющая фиксированное положение. Копия первых трех записей для надежности – они очень важны - хранится ровно посередине диска. Остальной MFT – файл может располагаться, как и любой другой файл, в произвольных местах диска. Преимущество такого модульного подхода заключается в следующем: в FAT системе физическое повреждение в самой области FAT фатально для функционирования всего диска, а NTFS может сместить, даже фрагментировать по диску, все свои служебные области, обойдя любые неисправности поверхности – кроме первых 16 элементов MFT.

Итак, у системы NTFS есть файлы – и ничего кроме файлов. Каждый файл имеет обязательный элемент – запись в MFT, где хранится вся информация о файле, за исключением собственно данных. Имя файла, размер, положение на диске отдельных фрагментов, и т.д. Если для информации не хватает одной записи MFT, то используется несколько, причем не обязательно подряд. Файл может не иметь данных – в таком случае на него не расходуется свободное место самого диска. Во – вторых, файл может иметь не очень большой размер. Тогда данные файла хранятся прямо в MFT, Файлы, занимающие сотни байт, обычно не имеют своего «физического» воплощения в основной файловой области – все данные такого файла хранятся в MFT.FAT системы имеют линейные каталоги, при этом ОС приходится просматривать все элементы каталога, пока она не найдет нужный. Система NTFS имеет структуру каталога в виде бинарного дерева, в котором поиск файла осуществляется гораздо быстрее.

13. Как называется файловая структура, с которой непосредственно работает пользователь? Какие программы в ОС позволяют пользователю наглядно работать с файловой структурой? Какие операции ОС относятся к функциям по обслуживанию файловой структуры?

Способ хранения файлов на дисках компьютера называется файловой системой. Иерархическая структура, в виде которой ОС отображает файлы и папки диска для пользователя, называется файловой структурой. Т.е. данные о местоположении файлов на диске хранятся в табличной структуре, а пользователю они предоставляются в виде иерархической структуры, которая гораздо удобнее для пользователя. Все необходимые преобразования ОС берет на себя. К функции обслуживания файловой структуры относятся следующие операции ОС:

• создание файлов и присвоение им имен;

• создание папок и присвоение им имен;

• переименование файлов и папок;

• копирование и перемещение файлов между дисками компьютера и между папками одного диска;

• удаление файлов и папок;

• навигация по файловой структуре;

• управление атрибутами файла.